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104
Division CONTROL DATA CORPORATION Minneapolis, M 4 .nesota 55440 FINAL REPORT COMPARISON OF JIMSPHERE AND RAWINSO •. .:F. WIND SHEARS by A. D. Belmont W. c. C. Shen This study has been supported by the Advanced Research Projects Agency, Washington, D. c. by ARPA Order No. 756, under contract with the Office of Naval Research, Contract N00014-66-C0127 ST.k r.b\CSNT WJ t ti s UnlWte: ThiS Doo\llllen ID\.at.ribuUon of 15 November 1966 _______ ,

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R~search Division CONTROL DATA CORPORATION

Minneapolis, M4 .nesota 55440

FINAL REPORT

COMPARISON OF

JIMSPHERE AND RAWINSO •. .:F.

WIND SHEARS

by

A. D. Belmont

W. c. C. Shen

This study has been supported by the Advanced Research Projects Agency, Washington, D. c. by ARPA Order No. 756, under contract with the Office of Naval Research, Contract N00014-66-C0127

ST.k r.b\CSNT WJ • t

tis UnlWte: ThiS Doo\llllen ID\.at.ribuUon of

15 November 1966

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i

t

ABSTRACT

Characteristics of the wind shear for 25 meter layers were prepared

'rod a series of 175 detailed wind ascents to 18 km taken with a Jimsphere

balloon followed by FPS-16 radar from November 1964 to June 1965. To

determine how well the shears for small layers could be estimated from

rawlnsonde data, two new sets of ascents were created from the original

Jimsphere data. One set consisted of wind data at 23 levels correspond-

ing only to standard pressure levels, and the other set at the 46 "mlrute"

levels at which winds are reported on observational forms. The differ-

ences In results were thus due only to the differing vertical resolution

In the three series.

The results showed that the magnitudes of the mean pressure and

minute shears for 25 meters are smoothed to about 1/3 and 1/2 respec-

tively of the Jimsphere shears. Graphs of corrections for pressure and

minute data needed to approximate the Jimsphere shear are presented

both In terms of thickness of layer, and, for 25 m as a function of

height.

The regressions proposed by Essenwanger between the mean, or the

standard deviation, of tht« shear and the mean thickness of the layer, and

also between the standard deviation and the mean of the shear are con-

firmed in principle using .'imsphere data.

Tabulations of blvarlate frequency distributions (direction change

vs magnitude), means and standard deviations of five parameters relating

Jimsphere shears and winds to those of pressure and minute data, by 2 km

layers, are included, both for the total data sample and for the time

i^eap

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t

changes in a sub-set consisting of 59 pairs of observations taken from

1-4 hours apart.

The mean Jimsphere shear for a 25 meter layer increases from 0.3 ra/sec

at the lowest levels to 0.5 at 11 km and to 0.8 at 17 km, with a standard

deviation of about 70% of the mean.

4

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i *

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TABLE OF CONTENTS

Page

i

o

i

ABSTRACT

INTRODUCTION

II DATA

HI RESULTS

A. Estlinating fine-scale shear from rawinsonde data

B. Relationship of shear to layer thickness

C. Direction change with height

D. Properties of 25 meter nhcars from Jimsphere

data

E. Extreme shears

F. Comparison of shear magnitude with direction

change

G. Short period time variations

IV REFERENCES

5

8

10

11

11

12

12

15

5*

0

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LIST OF FIGURES

(grouped together after taxt)

P

Figure

I and 2

3 and 4

5

6

7 and 8

9 and 10

II and 12

13 and 14

15

16

17

17A

18

19

20

Mean difference of Jlmsphere shear from pressure shear, and its stand-^fd deviation.

Mean difference of Jimsphere shear from minute shear, and its standard deviation.

Mean pressure and minute shears.

Standard deviations of pressure and minute shears.

Mean difference of Jimsphere and pressure wind and its standard deviation.

Mean aifference of Jimsphere and uinute wind and its standard deviation.

Mean relative error of Jimsnhere and pressure shear, and its .standard deviation.

Mean relative error of Jimsphere and minute shear, and its standard deviation.

Comparison of mean shear regressions for various data.

Comparison of Jimsphere shear, pressure shear and minute shear to layer thickness.

Comparison of standard deviation of shear regression, with a constant.

Comparison of standard deviation of shear regression, without a constant.

Comparison of standard deviation of shear regressions ior Jimsphere, pressure and minute data.

Frequency distribution of differences in Jimsphere shear direction from pressure shear direction by 2 km layers.

Frequency distribution of differences in Jimsphere shear direction from minute shear direction by 2 km layers.

1

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Figure

21 and 22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

Mean and standard deviation of Jimsphere shear.

Frequency distribution of Jimsphere shear by 2 km layers.

Relation of mean and standard deviation of Jimsphere sl.ear.

Frequency distribution of Jimsphere shear direction change by 2 km layers.

Frequency distribution of short period changes in Jimsphere winds.

Mean short period changes in Jimsphere winds.

Standard deviations of short period changes in Jimsphere winds.

Frequency distribution of short period changes in Jimsphere shear.

Mran short period Jimsphere shear.

Standard deviation of mean short period Jimsphere shear.

L

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LIST OF TABLES

Table

Relative Detail of Three Types of Available

Data up to 18 km

Page

2A

II Equivalent Jimsphere Levels to Rawinsonde

Pressure and Minute Data

3A

III Extreme Jimsphere Shears (>5.0 m/sec/25m) UA

IV Tabulation of Frequency Distributions, Means

and Standard Deviations by 2 km layers for

(JS) . (J - P) . (J - M) . (JS - PS) . s s s s

(JS - MS).

Al-25

Tabulation of Frequency Distributions, Means

and Standard Deviations by 2 km layers for

US)s, (J - M)s, (JS - PS)s, (JS - MS)c

B1.25

»fcH

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!

li

y I. Introduction

t Is necessary, for certain applications, to know the value of the

vertical shear of the horizontal wind at very fine altitude Increments.

As this Information Is not normally available, it must be estimated from

usual rawinsondt or radio wind observations.

H

Using a special series of high resolution wind observations from

FPS-16 radar tracking of a Jlmsphere balloon, this study attempts to

estimate the wind shear for 25 meter layers from usual rawlnsonde data

and compares results wi«-h those of other papers. As a seco J part of

this paper, statistics of the shears for 25 meter layers are presented.

I

f if

II. Data

The best available data for this research is the series of special

wind observations taken at Cape Kennedy using a specially designed

dlumlnized balloon with roughened surface, called a "Jlmsphere" and

tracked at 0.1 second Intervals by FPS-16 radar. The data consists of

175 ascents from November 1964 to June 1965, each reporting about 700

levels between about 300 m and 18 km near which altitude the Jlmsphere

floats. The winds are smoothed by a least squares fit over a 50 meter

layer and presented at each 25 meters. One hundred twelve of the 175

ascents have been published (Scoggins and Susko, 1965). All data used

were made available by NASA, Huntsville.

A theoretical study (Scoggins, 1963) of accuracy of measurement

indicated an RMS error in wind data of about 1 ra/sec, but depended

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11

I

upon unknown errors in radir tracking. An avaiuation based upon simul-

taneous observation by two radars yielded RMS errors in wind speed

generally less than 0.5 m/sec, although occasional large errors can

appear (Scoggins and Susko, 1965).

To compare this fine-scale data with rawinsonde observations, the

latter were simulated by extracting Jimsphere data only at height corres-

ponding to (1) standard pressure surfaces, and to (2) those neights

reported in maximum available detail on the original computation forms

(WBAN'20). The relative information content of these three sources in

the lowest 18 km isäiown in Table I and the equivalent levels used {»re

shown in Table II.

by confining the data to that of a single source and simulating the

other sources by degrading the vertical resolution of the Jimsphere data,

we can attributt differences in resulting shears to the effect of resolu-

tion alone. Had actual rawin data for the same station and day been used,

there would have been additional differences whic'r could be caused by

the observations being taken at different time and location and by using

different observational metb^.s. While it would be desirable also to

isolate the effect ' the differing amount of smoothing in the two forms

of observation which arise from the single reading once a minutt and the

average instantaneous readings while the balloon ascends a 50 mete'- layer,

this can not be done with the available data.

The Jimsphere data were used to prepare three separate, sets of

ascents:

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I h 2A

0 Table 1: Relative Detail of Three Types of Available Dar:a up to 18 km

Source Vertical Resolution No. of levels

[

P y

Jimsphere Overlapping 50 meter

means, given each 25 meters

720

Rawin (WBAN-20 1 min. to 7 km (approx. 300 m)

original record) 2 mln. above 7 km (500-1000m) 46

Rawin (Standard

pressure levels)

50 mb to 12 km (500m)

20 mb to 18 km (1000m) 23

Ja r !^

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m

1. The original 25 meter Jlmsphere data for some 700 levels. (J)

2. Jlmsphere data for some 23 fixed heights crrrespondlng to the

annual mean height of the 23 standard pressure surfaces from the

surface to 80 mb (17,900 m) at Cape Kennedy. (P)

3. Jlmsphere data for 46 levels corresponding to those represented

by one or two minute data on WBAN-20 for Cape Kennedy. (M)

As constant pressure or regular minute data are the only data nor-

mally available from which to »stimate shears, it was desired to see how

well they could do so, using simplest methods. Frei» the latter two sets

of data, winds were estimated at each 25 meter level u^lng only linear

interpolation. The differences of the estimated shears using the crude

pressun-level or minute data, from the actual Jlmsphere shears, provide

the relativ« error or "correction factors'1 to obtain the average shears

for shallow layer:; from generally available dat.. For this first attempt

only linear interpolation was used; the use of higher order fitting

methods might have reduced the differences at the expense of more compli-

cated compntatlors. In any event, the derived shears will always be

smaller than those from the original detailed data and the differences

will depend upon the interpolation method used.

At those levels for which pressure (or minute) data are available,

and for which no interpolation is needed, a xero error exists between 25

meter data and original Jlmsphere data. In all statistics, these non-

Interpolated levels are therefore excluded in computations of err^r.

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3A

Table II: Equivalent Jlmsphere Levels to Rawlnsonde Pressure

and Minute Data

23 Pressure Data Levels

tub meteis

S 0

1000 150

950 600

900 1075

850 1575

800 2075

750 2625

700 3200

650 3800

600 4450

550 5125

500 5875

450 6700

400 7600

350 8575

300 9675

250 10925

200 12375

175 13225

150 14175

125 15275

100 16575

80 17900

46 Minute I )ata Levels

meters raeters

525 7025

900 7525

1275 8075

1600 8575

1900 9075

2200 9550

2525 10050

2800 10525

3050 11075

3300 11600

3600 12100

3825 12625

4050 13125

4300 13425

4525 13700

4775 13950

5025 14500

5250 iSlOü

5500 15700

5750 16250

6000 16825

6z25 17375

6500 17950

I

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For convenience, the following notation will be used:

J = Original detailed Jimsphere wind

P = Equivalent Constant Pressure wind

M = Equivalent Minute wind

JS, PS, MS = Jimsphere, Pressure, Minute vector shear

Subscript s = Magnitude of wind or shear vector

Subscript d = Di ference in the directions of wind or

of shear vectors

I'.D. = Frequency distribution

C or S.D. - Standard Deviation

A - time change

Dlvarlate frequency distributions, means and standard deviations of

the five basic parameters below v,„r? computed for 2 km layers tor the

consolidated 175 ascents. These tabulations are reproduced in Appendix

A, The means and deviations were also plotted by computer for each 23

meter level.

1. (JS)S

2. (J - P)s

3 (J - M)s

4. (JS - PS),

5. (JS - MS) s

To evaluate short-period time changes, some 59 pairs of observations

taken from one to four hours apart, were also processed in the same man-

ner. The summaries are given as Appendix B.

Direction change statistics were first separated into clocKwise and

counter-clockwise to see if persistent paiterns of wind interpolation

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i

error, or if shear existed. As no significant differences were found by

level, all direction changes were treated without regard to sign.

To keep the si?e of this report within, practical limits, most para-

meters are tabulated in the Append!: summarized for 2 km layers. Other

detailed tabulations are available but are only shown graphically here.

For simplicity, the symbolic form of each parameter will be used in the

discussion.

III. Results

A. Estimating fine-scale shear from rawinsonde data

The differences in the shear inuicated by the estimated data,

from Jimsphere original data are shown in Figs. 1-14. Fig. 1 shows the

variation with height of (JS) - (PS) for each 25 meter increment. 5 S

There is a general increase wlfh height of the error from 0.3 m/sec/25m

at 1 km to about 1 m/sec at 17 km. The corresponding st :ndard devia-

tions in Fig. 2 show the same increase with height with values about

607, of the means. The numerous peaks in the deviation profile are

caused by occasional, extreme shears although no physical reason is known

for these occasional, large values. Separate frequency distributions

wi re made at each 25 m level, for all basic parameters, and each peak in

the deviation profile curves (Figs. 2, 4, 22) could always be traced to

the occurrence of a single shear generally in the classes 4-6 or 6-6

m/sec/25m. Those as large as 5 m/sec are discussed separately below.

One large occurrence, compared to the 140 to 170 instances in the classes

~S iäfeN»

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less than 2 m/sec is sufficient to cause these noticeable peaks. Figs.

3 and 4 are almost identical to Figs. 1 and 2, and, as will be seen.

Figs. 1 and 3 are almost the same as Fig. 21, the Jimsphere shear itself.

It mighw thus appear that both (PS) and (MS) are relatively very small s s

comparsd to (JS) . However, in Figs. 5 and 6, the values of (PS) and s s

(MS) are seen to be larger than one would expect from the differences s

of Figs. 1 and 3 from Fig. 21. This is because the mean of the differ-

ence in magnitude of pairs of vectors includes the unknown contributions

of the varying direction changes of corresponding pairs as well as magni-

tude changes. The mean of (PS) or (MS) is therefore not derivable s s

indirectly from other parameters and must be computed from the original

observations.

The mean errors and deviations in interpolating winds from the P and

M data are shown in Figs. 7-10. A levels for which P and M data exist

there is of course no error and hence the curve has a serrated appearance.

The errors normally increase with height but an exception to this occurs

near 13 km where the vertical resolution of the P, and especially of the

M, data is increased, which causes a reduction in interpolation error.

The maximum errors from the M winds are about one-haIf those cf the P

wind? due to the doubled density of M data with height. Another pro-

perty of the PS and MS data is the discontinuous changes of layers with

constant shear with height, shown in Figs. 5 and 6., caused by linear

inteipolation between given data levels.

One of the principal aims of this study is to approximate the JS

from /S or MS. To consolidate the results of Figs. 1-10, the data in

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I

i H

Figs. 11-14 show the variation with height of the relative e^ror, defined

as:

(JS) - (PS) and (JS) - (MS) s s s s

(PS). (MS).

0 10

I u

i:

[ [

This can be applied to usual pressure data to estimate the finer scale

shear.

The values of relative error indicate the percentage to be added to

the (PS) or (MS) values. Hence if Fig. 11 indicates a relative error 8 S

o^ say, 3, then the (JS) is 4 times the (PS) . Thus Figs. 11 and 13 s s

show that (JS) varies from 3 to 5 time the (PS) and from 2.5 to 3.5 s s

times the (MS) data. The standard deviations of (JS) range fron 2.5 to s s

3.5 times (PS) and from 2.25 to 3 times (MS) data. The minimum error s s

near 13 km shows u? in the mean relative error of (MS) graph also. s

As (PS) and (MS) are sometimes very small, the relative error s s

computations occasionally yielded exceedingly large ratios when indi-

vidual values of (PS) or (MS) approached zero. To avoid these extreme

values, the results in Figs. 11-14 were smoothed by eliminating values

of PS or MS less than 0.05 m/sec/25m. Approximately 10-15% of the obser-

vations were eliminated in this way. Thus, when (PS) or (MS) is near s s

zero, correction factors can not be applied. However, it is probably

reasonable to assume that in most instances, when (PS) or (MS) if, near s s

ze? (JS) is also. s

Naturally these results are applicable only to Cape Kennedy. However,

as no other comparative data exists for other stations (except Point Mugu

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.'-'

and Wallops Island), it may be necessary to use these estimates elsewhere

as a first approximation. j

B. Relationship of shear to layer thickness

In his study of this problem, for application to missile response,

Essenwanger (1963) has found that the magnitude of the mean shear can be

related simply to the thickness of the layer through which it is measured:

S = A + a ( A *) o o

where S is mean shear, ^ * is layer thickness, A , a , a. are constants

which depend on atmospheric conditions which change with season. This

result appears valid only if the data are averages of all non-overlapping

layers of an arbitrary thickness throughout each ascent, and for many

ascents. For example, each ascent to 30 km would provide 30-1 km layers,

20-1.5 km layers, 60-500 meter layers, etc. The relationship appears to

he independent of how the wind Increases or decreases with height.

Essenwanger1s results for Cape Kennedy derived from rocket response

measurements have been confirmed by Armendariz and Rider (1966) using

independent fhoto-theodolite observations of a pibal balloon at White

Sands. The coefficients in the relationship vary with place and month as

would be expected from inherent differences in the wind profiles and the

type of smoothing used in processing the raw observations.

Using the consolidated 175 Jimsphere ascents, over a seven month

period, the regression curve (3) in Fig. 15 was obtained with a = 0.058

and a, - 0-68 which agrees reasonably well with those of Essenwanger's

data for February and July (Essenwanger and Billions (1965).

i

r~

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*r

i

fl

As specially observed, fine-scale, data are not normally available,

an attempt was also made to see how well such a regression curve could be

established using only rawinsonde constant pressure data. To obtain a

wide range of thickness, Che linearly interpolated data for 25 meter

levels were used in the averaging as pressure surfaces are at least 500

meters apart and could not provide points at he shorter thickness half

of the scale. Also, had only the levels equivalent to all the reporting

pressure levels in an ascent been used, She thickness between them would

almost always be different and thus the consolidated time means would

only represent a time average of a certain layer at a particular height.

Although regressions could be based on such data, the method used was

chosen to make results comparable with Essenwanger's.

The resulting curves are shown in Fig. 16 which demonstrates how much

(PS) and (MS) underestimate (JS) . For 23 meter layers, the (JS) is s s s s

about twice that of (MS) and three times that of (PS) . The errors s s

naturally decrease as the layer thickness increases towards values

approaching the thicknesses between the observed standard pressure and

1 or 2 minute levels. However, it seems possible that once the relation-

ship is established from temporary Jimsphere ascents, (PS) or (MS) data s s

can be used to estimate finer-scale mean shears. It is interesting to

note that the exponents of the power function tend to Increase with the

increase of smoothing.

In the theoretical development by Essenwanger (1963) the standard

deviation plus a constant A is also related to a power function of the

thickness. The constant is determined from the Intercept in the regres-

sion between the standard deviation and the mean (for example, as in Fig.

i

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10

24). However, Armendariz and Rider (1966 ) show a linear relation »dth-

out a constant. In our data it appears from a comparison of regression«

similar to those in Fig. 24 for (PS) and (MS) , that the constant is very s s

close to zero and thus is not needed in this particular instance. Fig.

17 shows (T (JS) with a constant for comparison with Essenwanger's regres- s

sions, and Fig. 17A shows Ö"(JS) without the constant for comparison with

Armendariz's regressions. The coefficient changes slightly if the constant

ts not used. Fig. 18 compares (TUS) with ^~(PS) and fiHS) not employ- s s s

ing a constant.

As the regressions have been drawn oy eye here, a closer fit by

numerical methods would change the coefficients also. Further, it seems

possible from some of our data that a polynomial might provide a better

fit than a straight line which was used for the sake of uniform compari-

son with the literature. This can only be decided by large samples of

independent data from various sources.

The agreement of these various regressions is evidently dependent on

location, season and probably altitude range, as well as the degree of

smoothing employed in data reduction. Only analysis of additional data

using a single type of observation, taken frequently at different loca-

tions and seasons, will help identify the contribution of these factors.

C. Direction change with height

To help evaluate the magnitudes of the shear differences dis-

cussed already, that portion of the shear which is due to the rotation

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11

of the wind is shown in Fig, 19 as a frequency dictrlbution of (JS - PSK d

for 2 km layers. Fig. 20 does the same for (JS - MS)J. In both instances d

the direction differences are sir,iliest near 10 km and largest both near

the surface layer and at the highest layer.

D« Properties of 25 meter shears from Jimsphere daca

fl

i

0 f

IB

Fig. 21 shows that (JS)s is about 0.3 m/sec/25m from C-9 km, and

then increases to about 0.8 m/sec/25m at 17 hn. Fig. 22, of the standard

deviation, shows a similar pattern but reveals numerous sharp peaks,

especially about 8 km. Many of these are due to single occur^uces of

extreme shears which hardly affect the moan at the level but are large

enough to be outstanding in terms of standard deviation. A crequency

distribution of (JS)s by 2 km layers in Fig. 23 shows how the larger

shear classes increase with height. The frequency curves for layers

below 10 km show similar shapes with peak values in the minimum class

(0-0.25 m/sec/25m). This peak frequency shifts to 0.50-0.75 m/sec/25m

at 16-18 km.

A linear relation of (JS) to its standard deviation was also pointed

out by Essenwanger (1963). In Fig. 24, the slope of the Jimsphere re-

gression is .65 which is less than the .78 of his rocket data. The

rocket data are for unspecified months and period of record which may

help account for the appreciable discrepancy at higher values of shear.

E. Extreme shears

Table III shows the source of all obsarvations of shears greater

than 5.0 m/sec/25m. Examination of the original 50 meter average wind

I

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11A

p

Data Time Level (m) Magnitude (in/sec/25ni)

• 1/4/65 0104* 7475 7525 7550

9.4 5.3 5.3

- • 1/13/65 2137 2600 7.0

2237 2650 13025

8.1 6.4

- ■

1/23/65 0100 8950 10175 10575

5.0 6.0 8.8

2/24/65 2029 15400 5.3 2150 15800 6.8

2/25/65 0025 15975 16550 17450

5.6 5.8 5.9

3/8/65 1414 12650 7.3

■ J/9/65 0100 13475 6.3

15075 15475 15500

6.2 6.3 6.6

f

3/9/65 1006 12625 5.7

1341 13825 1100

6.0 7.3

3/10/65 1201 12975 5.0

3/13/65 0122 12950 6.8

3/16/65 0100 12475 5.0

3/25/65 1300 16925 16975

8.1 7.4

4/9/65 0000 5150 16300 16350

5.3 7.0 6.9'

4/13/05 1415 12925 5.1

- 1806 13450 13175

6.4 6.2

6/3/65 1140 16325 <? ->

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^H

12

data showed several Instances of abrupt change of direction and/or speed

for on« or two layers, then a return to previous values.

i

i U

t

r

i.

IE

It is not possible to state categorically that such observations

could not exist; even if they appear unusual and may have been caused by

1'.strumental characteristics such as radar searching for its target. On

the recommendation of J. Scoggins, NASA, Huntsville, all data were re-

tained as each value is smoothed over about 80 points in each 50 meter

layer.

F. Comparison of shear magnitude with dire» t.'on change

In Appendix A a frequency distri'/Ution will be found, giving by

2 km layers, a bivariate distribution of magnitude against direction

change for each of the five parameters treated in this report. Means,

deviations, absolute and relative frequency arf so included. The un-

equal class intervals should be noted when interpreting distributions.

This was done to provide greater resolution of the most frequent cate-

gories. Fig. 25 pieseucf the frequency distribution of (JS), for each

2 km layer from this tabulation. It shows essentially the same features

as already discussed above for Figs. 19 and 20. For extreme direction

changes, (^ 10o/25m), maximum frequency (2.8%) occurs at the surface

layer. This frequency decreases to 0 at the trcpopause and ther. in-

creases upward.

n Ü

n

G. Short period time variations

Among the 175 ascents, there were 59 pairs of observations which

were taken wf^hin four hours of each other. The average time interval is

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I I f f

I i

13

about one hour but varies from 15 minutes to 4 hours. All five para-

meters were computed as was done for the entire data set and the results

are tabulated in Appendix B. Time-height sections of the ascents were

even made for each parameter to see if persistent patterns could be found.

All changes used in the tabulations were taken without regard to sign.

In addition, the time variations of the original Jimspher- winds and of

their vertical shears were graphed.

The dominant feature of the wind profiles about 10 km altitude is

high persistence in time. For example, on February 10, 1965, at 12-16 km

altitude, a small scale p-'",'-urbatlon existed which could be followed

throughout the series of profilec. Meanwhile, large wind shears of I

m/sec/25m layer occurred at 15-16 km, and persisted for more than 6 hours.

This featvre of peisistence can be important in prediction of wind shears.

Fig. 26 shows the frequency distribution of the wind speed change for

consolidated levels. The peak value occurs at the 1.5-2.0 m/sec interval,

and wind speed changes of less than 4 m/sec occur 80% of the time. These

seem co Indicate that Jn general the wind speeds are rather persistent up

to 4 hours.

As may be seen In Figs. 27 a^H '28, the profiles of mean and standard

deviation of wind speed change A J, depend on altitude. In the friction

layer, the mean curve tends to decrease with altitude. The minimum mean

values occur in the mid-tropoaphere between 2 to 6 km. The largest values

occur at 10 to 13 km at the subtropical jet stream level, and above 13 km

in the lowe-- stratosphere the speed change decreases. The standard devia-

tion shows similar features.

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14

The frequency distribution of the magnitude of wind shear cha.ge

A ^JS)a in Fig« 29, also shows t.he same shape as the wind speed changes

A J • Its peak frequency occurs at .250 to .375 m/sec/25m. Large shear

"hanges of greater than 1.0 m/sec/25m a^e infrequent, occurring in less

than 15 percent of the observations. Such large shear changes are usually

found above 10 km altitude. The mean values of wind shear change are

shown in Fig. 30. Those above 10 km altitudes are much larger than at

rt '.ower altitudes. The standard deviation of the wind shear change repre-

sented in Fig. 31 shows similar features.

Acknowledgement

The authors wish to thank the Aero-Astrodynamics Laboratory for the

gm use of the Jimsphere data and J. P. Scoggins for helpful discussions of J data reliability. *

i * ■

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15

I r i ;

! i

IV References

1. Armendariz, K. and L. J. Rider (1966). Wind shear calculations

for small shear layers. Atmos. Scl- Lab, White Sands Missile

Range, ECOM 5057.

2. Armendariz, M. and L. J. Rider (1966), Wind shear for small

thickness layers. Atmos Sei. Lab, White Sands Missile Range,

ECOM 5040. (AD482329).

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butions of vector wind shear values for small shear Intervals.

Geofisicia Pura E. Applicata-Mllano, 56: 216-224

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butions for smaller shear Intervals. U.S. Army Missile Command,

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5. Scogglns, J. R. (1963). An evaluation of detailed wind data as

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Tech. Note D-1572, Washington, D. C.

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data measured at the Eastern Test Range. NASA TMX-53290, Marshall

Space Flight Center, Huntsvllle, Alabama.

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(JS-PS),

0 .3 .7 1.0 1.3

m/sec/25m

0 -3 .7 1.0 1.3 L7

m/sec/25in

Figs. 1 and 2. Mean difference of Jimsphere shear from pressure shear, and its standard deviation.

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18 km

16

14 1

12

10

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(JS - MS).

0 .3 .7 1.0 1.3

m/sec/25m

o-(JS-MS) s

3 .7 1.0 1.3

m/sec/25m

Figs. 3 and 4. Mean difference of Jimsphere shear iron, minute shear, and its standard deviation.

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0.2 0.3

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0.2 03

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0.4

[ Fig. 5. Mean pressure and minute shears.

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(PS).

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Figs. 7 and 8. Mean difference of Jimsphere and pressure wind and its standard deviation.

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Figs. 9 and 10. Mean difference of Jimsphere and minute wind and its standard deviation.

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Figs, 11 and 12. Mean relative error of Jimsphere and pressure shear, and its standard deviation.

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Figs. 13 and 14. Mean relative error of Jimsphere and minute shear and its standard deviation

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10000

AZ (m)

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Fig. 15. Coniparison of ;ar. shear regressions for various data

Curve 1 Jimsphere Nov. - June 0-^8 km Curve 2 Jimsphere Jan. - Feb. 0 - 3 km Curve 3 Rocket February 0 - 25 km Curve 4 Rocket July 0 - 25 km Curve 5 Camera Aug. - Sept. 0 - 3 km

Curve 1 Mean shear = . 058 (AZ) * 68

Curve 3 Mean shear = , 131 (AZ) " 62

Curve 4 Mean shear = . 086 (AZ) ' 53

Cape Kennedy " " (Ref. 1)

(Rei. 4) (Ref. 4)

White Sands (Ref. 2)

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Fig. 16 Comparison of Jimsphere shear, pressure shear and minute shear to layer thickness

"<JS>s

TMST s

TPST s

0,058 (äZ)

0.015 (AZ)

0.0075 (AZ)

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Fig, 17. Comparison of standard deviation of shear regression, with a constant ßfi

Curve 1 Jimsphere Nov. - June 0 - 18 km cr-0. 15 =0.038 (AZ)

Curve 2 Rocket

Curve 3 Rocket

62 February 0 - 25 km a +0. 529 = 0. 055 (AZ)' "" (Ref. 4)

July 0 - 25 km j+0. 404 = 0. 086 (AZ)* 53 (Ref, 4)

I

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Fig. 17A. Comparison of standard deviation of shear regressions, without a constant

Curve 1 Jimsphere Nov. - June 0 • 18 km a = 0. 055 (AZ) * 68

Curve 2 Jimsphere Jan. - Feb. 0 - 3 km (Ref. I)

Curve 3 Camera Aug.- Sept. 0 - 3 km (Ref. 2) (White Sand«/

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AZ (m)

Fig. 18. Comparison of standard deviation of shear regressions for Jimsphere, pressure and minute data

Curve 1 cr QS) = 0.055 (AZ) *68

Curve 2 a (MS)g = 0.014 (AZ)*86

Curves <T (PS) = 0. 0047 (AZ) * 92

J

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8-10 km

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He. 19. Frequency distributi«; of differences in Jimsphere shear direction from pressure shear direction by 2 km layers.

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18 km

16

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12

10

(JSh

0 .3 .7 1.0 1.3

m/sec/25m

0 -3 -7 1.0 1.3 1.7

m/sec/25m

Figs. 21 and 22. Mean and standard deviation of Jimsphere shear.

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Fig. 27- Mean short period changes in Jünsphere winds.

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2 -r- 4 6 8 10 m/sec

Fig. 28. Standard deviation of snort period changes in Jimsphere winds.

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Fig. 30. Mean short period change in Jimsphere shear.

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Big. 31. Standard deviation of mean short period Jimsphere shear.

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I OS4IGINATING ACT \/|TY rCotponl* author)

Control Data Corporation

2a ftePORT SCCURITV C L A1SIFIC* TION

Unclassified 2b GROUP

3 REPOBT TITUE

Comparison of Jimsphere and Rawinsonde Wind Shears

4. DESCniPTIve NOTES (Typt ol rapurt »ud Inchisln dai»t)

Final Report 5. AUTHOnCS; (Ltt namo, Hni nmmt. Inltiml)

Belmont, Arthur D. Shen, William C.

t REPORT DATE

15 November 1966 ■ a. CONTRACT OR ORANT NO.

N00014-66-00127 b. RROJBCT NO.

ARPA Order 756

7a TOTAL NO. Of PASCS

100 76. NO. OF REFl

ta. ORIO.NATOR'I REPORT NUMSERfSJ

»b. OTHER REPORT NOCS; (Any olhmr numhirt Itltl mry b» mttlgntd thlt raport)

10. AVAILABILITV/LIMITATIOM NOTICES

Qualified requestors may obtain copies of this report from DDC.

11 SUPPLEMENTARY NOTES 12 SPONSORING MILITARY ACTIVITY

ARPA, Washington, D. C.

13 ABSTRACT

Characteristcs of the wind shear for 25 meter layers were prepared from a series of 175 detailed wind ascents to 18 km taken with a Jimsphere balloon followed by FPS 16 radar from November 1964 to June 1965. To determine how well the shears for smal layers could be estimated from rawinsonde data, two new sets of ascents were created from the original Jimsphere data. One set consisted of wind data at 23 levels corre ponding only to standard pressure levels, and the other set at the 46 "minute" level at which winds are reported on observational forms. The differences in results were thus due only to the differing vertiral resolution in the three series.

The results showed that the magnitudes of the mean pressure and minute shears for 25 meters are smoothed to about 1/3 and 1/2 respectively of the Jimsphere shears. Graphs of corrections for pressure and minute data needed to approximate the Jimspheie shear are presented both in terms of thickness of layt.., and, for 25 m as a function of height.

The regressions proposed by Essenwanger between the mean, or the standard devia- tion, of the shear and the mean thickness of the layei, and also between the standar 1 deviation and the mean of the shear are confirmed in principle using Jimsphere data.

Tabulations of bivariate frequency distributions (direction change vs magnitude), means and standard deviations of five parameters relating Jimsphere shears and winds to those of pressure and minute data, by 2 km layers, are included, both for the total data sample and for the time changes in a sub-sot consisting of 59 pairs of observations taken from 1-4 hours apart.

The mean "imsphere shear for a 25 meter layer increases from 0.3 m/sec at the lowest level, to 0.5 at 11 Ian and to 0.8 at 17 km. with a standard deviation of

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KEY WORDS

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WSTKUCTIONS \. ORIGINATING ACTIVITY: Enter the nun« and addreis sf the contractor, lubcontractor, grantee, Department of De- fense activity or other organization (corporate author) laauing the report. 2a. REPORT SECURITY CLASSIFICATION: Enter the over- all aecurity claaalflcation of the report. Indicate whether "Restricted Data" is Included. Marking la to be in accord- ance with appropriate aecurity regulations.

2b. GROUP; Automatic downgrading is specified In DoD Di- rective 5200.10 and Armed Forces Industrial Manual. Enter the group number. Also, when applicable, show that optional markings have been uaad for Group 3 and Group 4 mt author- ized.

3. REPORT 1ITLE: Enter the complete report title In all capital letters. Titles In all cases should be unclassified. If a meaningful title cannot be selected without classifica- tion, show title classification in all capitals in parenthesis immediately following the title.

4. DESCRIPTIVE NOTES: If «propriate, enter the type cf report, e.g., interim, progress, summary, annual, or final. Give the inclusive dates when a specific reporting period is covered. 5. AUTHOR(S); Enter the nasuKs) of authoKa) as shown on or in the report. Enter last name, first name, middle initial. If military, »how rank and branch of service. The name of the principal author is an absolute minimum requirement. 6. REPORT DATE: Enter the date of the report «a day, month, year, or month, year. If more than one date appears on the report, use date of publication. 7e. TOTAL NUMBER OF PAGES: The total page count should follow normal pagination procedures, i.e., enter the number of pages containing information. 7b. NUMBER OF REFERENCES: Enter the total number of reference» cited in the report. 8«. CONTRACT OR GRANT NUMBER: If appropriate, enter the applicable number of the contract or grant under wMch the report was writteiv 8b, 9c, ft Bd. PROJECT NUMBER: Enter the sppropriate military department identification, such as project number, subproject number, system numbers, tssk number, etc 9a. ORIGINATOR'S REPORT NUMBER(S): Smet the offi- cial report number by which the document will be identUied and controlled by the originating activity. Thia number muat b> unique to this report. 9b. OTHER REPORT NUMBER(S): If the report he» been assigned any other report number» (either by the originator or by the aponaot), also enter this number(s).

10. AVAXABILITY/LIMITATION NOTICES: Enter spy lim- itationa ot: further disseminstion of the ieport, other than thoaa

impoaed by security claasliicstion, using standard atatements auch as:

(I)

(2)

(3)

"Qualified requesters may obtain copiea of this report from DDC''

"Foreign announcement and diaaemination of thia report by DDC is not authorized."

S. Government agencies may obtain copies of "U. this report directly from DDC. users shall request through

Other qualified DDC

Use for additional enplane-

(4) "U. S. military agencies may obtain copies of thia report directly from DDC Other qualified users shall request through

(5) "All distribution of this report is controlled. Qual- ified DDC uaera ahall request through

If the report hss been furnished to the Office of Techr-ical Services, Department of Commerce, for sale to the public, indi- cate this fact and enter the price, if known. 11. SUPPLEMENTARY NOTES: tory notes.

12. SPONSORING MILITARY ACTIVITY: Enter the name of the departmental project office or laboratory sponsoring fpa>- Jnf for) the research end development Include address.

13. ABSTRACT: Enter en sbstract giving a brief and factual summsry of the document Indicative cf the report, even though it may elso appear elsewhere in the body of the technical re- port. If additic.i«! spscc is requited, s continuation sheet shall be attached.

It ia highly desirable that the abstract of classified reports be unclassified. Each paragraph of *'•* abstract ahall end with an indication of the military »ecurit, classification of the in- formation in the paragraph, represented as (TS), (S). 'O, or (V).

There is no limitation on the length of the abatract. How- ever, the auggeated length ia from 150 to 22S word».

14. KEY WORDS: Key words are technically meaningful term» or short phraaea that characterize a report and may be uaed as index entriea for cataloging the report. Kev words must be selected so that no securi'v classification ia required. Identi- fiers, such as equipment model designation, trade name, military project code name, geographic location, may be u»' i aa key worda but will be followed by an indication of technical con- text. The aaaignment of links, rtfte». end weights is optional.

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